Рефракция электромагнитных волн в движущейся космической плазме тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Ой

1 0

УДК 533.9.01

На правах рукописи

Лопес Исуриета Эриксон Даниель

РЕФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДВИЖУЩЕЙСЯ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ

(01.03.02 — астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С.-Петебург 1996

Работа выполнена в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН (г. С.-Петербург).

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Гнедин Ю.Н..

Официальные оппоненты: д.ф.м.н. Степанов A.B.; д.ф.м.н.,проф. Топтыгин И.Н.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН..

Защита диссертации состоится и и * _^_ 199g Г- в

.^А._часов на заседании диссертационного Совета К 002.92.01 по присуждению

ученой степени кандидата физико-математических наук в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65/1..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.

Автореферат разослан __ 1996 г.

г

Ученый секретарь диссертационного Совета/ , ^^/к.ф.-м.н. Ю.А.Наговицын

ßi/l^

© Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, 1996.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Космическая плазма изменяет физические характеристики излучения по пути его распространения от источника до наблюдателя и является важной областью астрофизических исследований. Физическая картина распространения и преломления электромагнитных волн в космической плазме довольно развита и хорошо обоснована с математической точки зрения. Например, дисперсионные свойства как изотропной, так и анизотропной неподвижной плазмы в однородной и неоднородной среде установлены и исследованы в классической плазменной физике (Гинзбург, 1967).

Данная диссертация посвящена исследованию дисперсионных свойств движущейся электронной плазмы и определению показателя преломления свободных электромагнитных волн, которые могут распространятся в движущейся среде.

Прежнее технологическое ограничение для создания в лабораторных условиях макроскопических плазменных потоков с квазп- или релятивистскими скоростями в настоящее время не является препятствием для исследования на земных установках процессов взаимодействия бы-стродвижущегося вещества с электромагнитным излучением.

Работы такого рода и, вместе с тем, прямое исследование космической плазмы в сочетании с адекватным математическим подходом

позволяют выяснить физические характеристики плазменных выбросов. Существование квазистационарных выбросов вещества наблюдается у большинства астрофизических объектов. Общепринятым является утверждение о том, что узконаправленные релятивистские струи (джеты) выходят из области ядра активных галактик, которые также образуются в области акрецпонного диска тесных двойных систем с рентгеновскими источниками (нейтроные звезды и черные дыры). Природа этих выбросов плазменных потоков в настоящее время далека от полного понимания и, в том числе, не выявлена физическая картина распространения и преломления электромагнитных волн в этих быстродвижущпхся плазменных средах.

Поэтому тема данной диссертации является актуальной и представляет большой интерес для развития электродинамики движущихся сред и расширения наших представлении о природе космической плазмы.

В данной работе исследуются дисперсионные свойства медленной н быстродвижущейся электронной плазмы.

Главной целью диссертации является исследование процессов распространения и преломления электромагнитных волн в медленной п быстродвижущейся плазме. Основные задачи данной работы:

1. Вывод дисперсионных соотношений движущейся изотропной и магнитоактивной плазм. Определение свойств распространения и преломления свободных электромагнитных волн в движущейся

плазме в рамках классического и релятивистского приближении.

2. Вывод дисперсионных соотношений, движущейся неоднородной изотропной электронной плазмы.

3. Определение углового смещения излучения, проходящего сквозь быстродвижущуюся космическую струю, образовавшуюся в области акреционного диска тесной двойной системы (ТДС) или в ядре активной галактики.

4. Исследование эффекта фарадеевского вращения плоскости поляризации и степени линейной поляризации излучения, рассеянного на электронах в области звездного ветра.

Научная новизна

1. Выведены основные соотношения, описывающие дисперсионные свойства как изотропной, так и анизотропной движущейся плазмы. Впервые полученные аналитических выражения для показателя преломления электромагнитных волн распространяющихся в нерелятивистскои и релятивистской движущейся электронной плазме. Показано, что в случае малых скоростей движения среды в движущейся плазме распространяется лишь обыкновенная волна, показатель преломления которой является инвариантом.

2. Впервые обнаружено, что релятивистское движение космической плазмы оказывает влияние на распространения поперечных волн.

Вследствие этого, в движущейся плазме впервые выявлена возможность распространения электромагнитных поперечных волн нового типа—"необыкновенная волна", подчиняющаяся иному закону преломления, в который входит релятивистская скорость движения среды (явление двойного лучепреломления в изотропной и анизотропной движущихся плазмах).

3. Впервые получены выражения для показателя преломления различных типов плазменных продольных волн, которые возникают вследствие движения среды и распространяются как в изотропной так п в анизотропной движущейся плазме. С увеличением скорости движения среды происходит сдвиг резонансных точек системы и тем самым расширение частотной области распространения плазменных волн.

4. Впервые приведены оценки ожидаемого углового отклонения радиоизлучения далекого радиоисточника, лежащего за областью релятивистской космической струи. Приводятся оценки вклада релятивистского движения струи в рефракционный эффект отклонения лучей от пути распространения.

5. Впервые изучено влияние градиента магнитного поля на преломляющие свойства электромагнитных волн, распространяющихся в магнпто неподвижной плазме—магнитная рефракция.

6. Впервые показано, что в области звездного ветра, в предполо-

женпп нсдппольной конфигурацпп магнитного поля, однократное рассеяние излучения на электронах этой области, прпподпт к появлению значительной степени линейной поляризации излучения из-за эффекта фарадеевского вращения. Приводятся оценки для ряда разных конкретных случаев.

Научная и практическая значимость.

Исследование плазменных потоков с релятивистскими скбростямн приводит к появлению новых типов поперечных волн, подчиняющихся новым законам дисперсии как в изотропных, так и в анизотропных средах. Эффект двойного лучепреломления в быстро движущейся плазме приводит к возможности изменения плоскости поляризации электромагнитных волн подобно эффекту фарадеевского вращения в магнп-тоактивной неподвижной плазме. С этим, безусловно, связан ряд важных физических характеристик космического излучения и плазменных сред.

Результаты, полученные в данной работе, имеют важное научное и практическое значение для понимания и расширения наших представлений о теории электродинамики движущихся сред и связанных с этим вопросов дисперсии и распространения свободных электромагнитных возмущений в космической плазме.

На защиту выносятся:

1. Вывод аналитических соотношений, описывающих дисперсионные свойства движущихся изотропной плазмы и анизотропной магнп-тоактивноп плазмы для случаев нерелятивпстского и релятивистского движения среды.

2. Доказательство существования эффекта двойного лучепреломления в изотропной и в анизотропной движущейся электронной плазме вследствие релятивистского движения среды.

3. Результаты оценок углового смещения, которое должно испытать радиоизлучение, проходящее сквозь космическую магнитоактив-ную плазму, вследствие присутствия d среде градиента внешнего магнитного поля. Магнитная рефракция.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

"Third International Workshop on Positional Astronomy and Celestial

Mechanics" (Cuenca, Espana, May 1994);

"International Workshop on Solar Polarization" (Пулково, С.-Петербург, май 1995);

"Second Volga International Summer School on Space Plasma Physics" (Н.Новгород, июнь 1995);

Международной конференции "Structure and Evolution of Stellar Systems" (Петрозаводск, август 1995);

"XXVI Радиоастрономическая конференция" (ИПА, С.-Петербург, сентябрь 1995);

"Joint European and National Astronomy Meeting JENAM-95" (Catania, Italy, September 1995);

научном семинаре астроног.гической кафедры Казанского университета, июнь 1995;

научном семинаре астрофизического отдела Главной астрономической обсерватории РАН.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, занимающих -141;странпц текста, включая 21 рисунок, 4 таблицы, и списки литературы (134 — наименования).

Содержание диссертации.

Do введении излагается проблема п формулируется задачи исследования

Первая глава посвящена исследованию дисперсионных характеристик распространения электромагнитных волн в медленной и быстро-движущейся изотропной электронной плазме. В приближениях холод-

ной п горячей плазмы выводятся основные соотношения, описывающие преломляющие свойства как поперечных, так и продольных электромагнитных возмущений.

В п. 1.1 выводятся основные уравнения распространения волн в движущейся изотропной плазме. Рассматриваются нерелятпвпстская и релятивистская задачи. Выявлен эффект двойного лучепреломления в данной среде.

В п. 1.2 изучено влияние макроскопического движения плазмы на распространение волн в неоднородной медленной п быстро движущейся среде.

В п. 1.3 рассмотрен случай движущейся изотропной плазмы с учетом теплового движения электронов. Показано, что введение пространственной дисперсии в систему покоя изотропной среды может приводить к появлению совершенно новых дисперсионных кривых для плазменных волн, эффект смещения резонансных точек системы.

В п. 1.4 приводится заключение к первой главе.

В этой главе доказано, что вследствие влияния макроскопического движения плазмы в ней могут распространяться новые типы электромагнитных волн: так называемые плазменные волны и "необыкновенные" поперечные волны, которые связаны с нарушением изотропного характера движущейся среды. Обнаружен эффект двойного лучепреломления в изотропной движущейся электронной плазме (релятивистский эффект).

Во второй главе исследуются вопросы, связанные с распространением электромагнитных волн в диспергирующей магнитоактивной плазме, движущейся в пространстве с малыми и большими скоростями.

В п. 2.1 применяется метод инвариантного представления тензоров для получения математических выражений, описывающих дисперсионные свойства неподвижной магнитоактивной плазмы.

В п. 2.2 трактуется классическое приближение движущейся магнп-тоактпвной плазмы. Показан эффект отсутствия влияния дрейфа среды на распространение поперечных волн.

В п. 2.3 получены основные дисперсионные соотношения электромагнитных волн в анизотропной движущейся плазме. Скорость движения среды считается релятивистской. Обнаружен релятивистский эффект трансформации типа электромагнитных волн и эффект двойного лучепреломления связанного с распространением в движущейся магнитоактпвной плазме новых электромагнитных волн необыкновенного типа.

В п. 2.4 приводится заключение к второй главе.

В третьей главе диссертации используются полученные в предыдущих главах результаты для определения углового смещения излучения, преломляющегося в космических плазменных потоках.

В п. 3.1 изложены кинетические характеристики известных космических объектов, в которых происходит истечение вещества. Приводится такой обзор с целью определения и выделения наиболее интерес-

ных объектов, в которых плазменные струи обладают релятивистскими или квазирелятивистскимп скоростями. Лишь в этом случае движение среды сказывается на свойствах преломления и распространения электромагнитных волн и его вклад в угловое смещение излучения значителен.

В п. 3.2 Выводится выражение для углового смещения электромагнитного излучения далекого радиоисточника, лежащего за областью космической струи, и приводятся его конкретные вычисления. Излучение, проходящее сквозь космическую струю, испытывает вследствие макроскопического движения плазмы значительный эффект рефракции. Представлена зависимость углового смещения от релятивистской скорости движения среды.

В п. 3.3 приводится заключение к третьей главе.

В четвертой главе представлены дополнительные результаты, связанные с вопросами по определению физических параметров космической плазмы. Эти задачи возникли в процессе исследования диссертации и их решения представляют собой большую практическую и теоретическую значимость.

В п. 4.1 исследовано явление преломления волн в магнитоактивнои неподвижной плазме, в которой присутствуют градиенты плотности электронов и внешнего магнитного поля. Приводится выражение для углового смещения радиоизлучения, испытывающего эффект рефракции в неоднородной плазме. Установлен вклад градиента магнитного

и

поля в рефракционный эффект. Приводятся оценочные результаты в различных конкретных ситуациях: в солнечной короне, в земной ионосфере, в плазменной оболочке Юпитера и т.д.

В п. 4.2 приводятся соотношения для показателя преломления электромагнитных волн в магнитоактпвной плазме со случайными компонентами внешнего магнитного поля.

В п. 4.3 представлена модель по определению степени линейной поляризации излучения, рассеянного на электронах в области звездного ветра. Рассматривая недппольную конфигурацию магнитного поля выводится соотношение, определяющее угол фарадеевского вращения плоскости поляризации волн. Соответствующая численная оценка параметров Стокса позволяет установить степень линейной поляризации излучения.

В п. 4.4 приведено заключение к четвертой главе.

В заключении перечислены основные результаты проделанной работы п указаны основные направления дальнейших исследований.

Автор выражает глубокую признательность Ю.Н.Гнедину за ценные советы и оказываемую помощь во время исследований по теме данной диссертации и руководство работой. Диссертант искренне благодарен руководству и сотрудникам Пулковской обсерватории за оказываемую помощь, дружескую поддержку и советы. Особенная благодарность В.А.Наумову, который все эти годы проявлял внимание к работе автора. Автор также признателен В.Н.Ершову за технпче-

скую поддержку. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность преподавателям астрономического института Санкт-Петербургского университета и лично В.В.Вптязеву за помощь в процессе обучения.

Публикации и личный вклад автора.

Основные результаты, приведенные в диссертации, были опубликованы в б работах. В совместных работах [1,3,4] вклад автора заключается в разработке математической модели, численных расчетах и интерпретации физического содержания полученных результатов.

Публикации по теме диссертации.

1. Gnedin Yu.N., Lopez Е., Angular displacement of radiation, passing through magnetoactive plasma — magnetic refraction.// 3rd Intern. Workshop on Positional Astronomy and Celestial Mechanics, May 1721 1994, Observatorio Astronomico, Universität de Valencia, Valencia, Spain, 1996.

2. Lopez E., Optical properties of a moving magnetoactive plasme.// Abstracts of the International Conference Structure and Evolution of Stellar Systems, August 13-17 1995, Petrozavodsk, P.56, 1995.

3. Jlonec Э., Гнедин Ю.Н., Угловое смещение радиоизлучения, проходящего через магнитоактивную плазму.// Тезисы докладов XXVI

Радиоастрономической конференции, 18-22 сентября 1995 г., С.Петербург, С.293, 1995.

4. Gnedin Yu.N., Lopez E.D., Magnetic Polarimetrie Refration in the Solar Corona.// Solar Physics, 164, P.97-102, 1996.; //Solar Polarization (eds. J.O. stenflo and K.N. Nagendra), Kluwer Acad. Publish. Dordrecht. 1996. P.97.

5. Jlonec Э.Д., Распространение электромагнитных волн в изотропной движущейся плазме. Классическая и релятивистская трактовки.// Препринт ГАО РАН N3, Глаголъ, С.-Петербург, 23 с. 1996.

6. Лопес Э.Д., Дисперсионные свойства анизотропной движущейся плазмы.// Препринт ГАО РАН N4, Глаголъ, С.-Петербург, 24 с.

Подписано к печати 23.05.96.

Заказ Д/, Тираж 100 экз. \_

Издательство "Глаголъ". 199053, С-Пб., В.О. 4 линия, 13 тел./ факс. (812)-213-71-93

1996.